Introduction à l’électronique

1. Introduction à l’électronique C. Koeniguer, P. Lecoeur Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

2. Objectifs : • Donner une vision des fonctions simples de l’électronique : • L’électronique permet de transformer des signaux • acquisition d’un signal • traitement électronique des signaux (filtrage, amplification)… Il faut connaître et savoir mettre en œuvre les composants discrets usuels, connaître les outils relatifs au traitement du signal • Présenter l’interaction de l’électronique avec les autres domaines utiles à l’ingénieur • Optoélectronique • Informatique • Matériaux … Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

3. Exemple : De la prise de vue photographique (numérique) au traitement informatique à distance Numérisation et traitement numérique Acquisition du signal par un capteur Traitement électronique du signal transmission Reconnaissance du signal Utilisation du signal Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

4. Capteurs Extraction du signal, filtrage, numérisation Ampli CAN Adaptation Matériaux Matériaux Electronique Optoélectronique Transmission Ondes radio Micro-ondes Matériaux Electronique Optoélectronique Fils Fibres optiques Traitement du signal Restitution du signal Matériaux Electronique Stockage TNS Matériaux Adaptation Filtrage Ampli Remise en forme Informatique Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

5. Cadre du cours Circuits électroniques Electronique analogique : Traitement de signaux à valeurs continues Ex : acquisition des signaux (capteurs), amplification, conversion numérique/analogique et analogique numérique, filtrage, génération de signaux … Electronique numérique: Traitement de signaux binaires Ex : traitements logiques des signaux, télécommunications… Composants discrets(capteurs, montages à AO …) Microélectronique(composants intégrés) Nanotechnologies mais c’est aussi la conversion d’énergie : électronique de puissance (moteurs électriques, onduleurs, voiture hybride…) Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

6. Plan du cours • Electrocinétique • Diode • Quadripôles et filtrage • Amplificateur opérationnel • Simulation sous PSPICE Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

7. - Partie I - Rappels d’électrocinétique • Définition d’un dipôle • Lois de l’électrocinétique • Les différents régimes d’étude • Dipôles passifs usuels Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

8. Vb Va i(t) u(t) = Va-Vb I. Définition du dipôle Le dipôle est un élément électrique, présentant deux bornessoumis à une tension u(t), parcouru par un courant i(t). Va : potentiel de la borne d’entrée Vb : potentiel de la borne de sortie u(t) = Va-Vb : différence de potentiel ou tension i(t) : courant traversant le dipôle (c’est une grandeur algébrique) Le courant électrique : c’est la quantité de charge qui traverse le dispositif par unité de temps i(t) = dq/dt (par définition : 1 ampère = 1 Coulomb / seconde) Types de dipôles : - les dipôles passifs (ampoules, résistances, capacités…) ne peuvent pas fournir de puissance moyenne - les dipôles actifs (piles, batteries…) peuvent fournir une puissance moyenne Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

9. u + i U U = cst U - i i I u I u Dipôles passifs - dipôles actifs • Dipôle actif ou générateur : fourni de l’énergie à un circuit Le rôle du générateur dans un circuit électrique est de mettre en mouvement les électrons qui sont présents dans ses composants (fil, ampoule, résistance, etc.) en y introduisant une différence de potentiel. - Générateur de tension parfait : source de tension parfaite Un générateur de tension est capable de maintenir une tension constante entre ses bornes - Générateur de courant parfait : source de courant parfaiteUn générateur de courant est capable de soutenir un courant dans un circuit Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

10. Vb Va i(t) u(t) = Va-Vb Dipôles passifs - dipôles actifs • Dipôle passif ou récepteur : reçoit et consomme de l’énergie Le courant est une valeur algébrique La puissance reçue exprimée en Watt (W) est donnée par : p(t) = u(t) . i(t) puissance instantanée puissance moyenne pour un signal périodique P > 0 Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

11. i(t) u(t) i(t) u(t) Caractéristique I(V) • Les grandeurs u(t) et i(t) ne sont pas indépendantes. • Modifier la valeur de u(t) aux bornes du dipôle change la valeur du courant i(t) • Cas linéaire : la caractéristique du dipôle est linéaire Dans ce cas la loi d’Ohm relie u(t) et i(t) par : u(t) = R i(t) • Cas non linéaire : la caractéristique du dipôle est non linéaire (Voir exercice 1) (Voir exercice 2) Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

12. A I I U V Montage de mesure : U varie V Importance de la caractéristique I(V) du dipôle Pmax Puissance maximale admissible : hyperbole : Pmax = U I = cte Au delà, destruction du composant Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

13. Droite de charge du générateur et point de fonctionnement d’un dipôle (1/2) i A r Icc=U0/r u U0 B u U0 • Comment connaître la tension aux bornes d’un dipôle et le courant qui le traverse lorsqu’il est branché aux bornes d’un générateur ? • Graphiquement cela se fait en trois étapes : • Etape 1- Tracer la droite de charge du générateur de tension réel : r = 10 W La droite de charge d’un générateur est la caractéristique I(V) du générateur - deux points caractéristiques : en A : c’est le courant de court circuit : Icc= U0/r (éviter de trop tester ce point !) en B : c’est la tension à vide mesurée circuit ouvert donc lorsque i = 0 Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

14. i A Icc=U0/r r dipôle u P U0 B u U0 Caractéristique I(V) du dipôle Droite de charge du générateur Droite de charge du générateur et point de fonctionnement d’un dipôle (2/2) • Etape 2- Placer la caractéristique I(V) du dipôle sur le même graphe • Etape 3 – L’intersection entre les deux courbes donne le point de fonctionnement : P (Voir exercice 2) Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

15. R1 N i1 i3 i2 u1 R3 u3 u2 R2 M2 U M1 GND II. Lois de l’électrocinétique :Loi des mailles – loi des noeuds Un circuit électrique est constitué, d’un ou plusieurs générateurs, d’un ou plusieurs dipôles, organisés en mailles et nœuds. Loi des mailles : la sommes des tensions sur une boucle fermée d’un circuit est nulle Cas de l’exemple : sur M1 on a : u = u1+u2 sur M2 on a : u2 = u3 Loi des noeuds : la somme des courants entrant et sortant d’un nœud du circuit est nulle Cas de l’exemple : en N on a : i1 = i2 + i3 Remarque : Les potentiels sont toujours mesurés par rapport à un potentiel de référence noté GND en analogique (Voir exercice 3) Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

16. Circuit électrique : théorème de Thévenin Tout circuit linéaire (tous les composants sont linéaires) peut être modélisé par un générateur de tension en série avec une résistance : Rth i i Circuit linéaire u u=Eth-Rth i Eth : tension à vide : résistance équivalente lorsqu’on éteint les sources indépendantes (non commandées) (Voir exercices 4 et 5) Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

17. A Rn R3 R1 R2 R2 E1 E2 En E3 Circuit électrique : théorème de Millman Soit le circuit suivant : Alors : Attention : si Ei = 0, il ne faut pas oublier le 1/Ri correspondant au dénominateur Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

18. III. Les différents régimes d’étudeTypes de mesures effectuées • Mesures temporelles On étudie l’évolution du signal en fonction du temps On distingue : • le régime transitoire : évolution de la tension et du courant suite à une discontinuité importante du signal • le régime établi : l’évolution du signal est périodique • Mesures fréquentielles On étudie en fonction de la fréquence la réponse du montage (non traité dans cette partie) Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

19. + e(t) E amplitude t -E T Types de signaux utilisés • Signaux continus : DC (=) • Utilité : apporter de l’énergie ou de se placer dans des conditions favorables • Les signaux alternatifs : AC (~) • Utilité : transport d’information (excepté la distribution d’électricité) E : amplitude du signal • : pulsation en rad/s F : phase du signal à l’origine des temps T : période du signal (s) Cas particulier des signaux sinusoïdaux : e(t) = E sin(wt + F) (cas de la figure) (Exercices 7, 8) Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

20. Importance du régime sinusoïdal • Justification de l’importance des signaux sinusoïdaux (régime harmonique) : • Signaux simples à étudier (dérivée, intégration) et correspondant à une seule fréquence • Tout signal temporel se décompose en une somme de signaux sinusoïdaux (série de Fourier ou transformée de Fourier) Rappel sur la notation complexe : U(t)=U cos(wt+) Dérivation jw Intégration (1/jw) Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

21. i(t) B A u(t) i(t) u(t) i(t) B A u(t) IV. Dipôles usuels. (régime temporel) Résistance pure : étude temporelle : u(t) = R i(t) Inductance pure : étude temporelle : u(t) = Ldi(t)/dt Capacité (Réactance pure) : étude temporelle : q(t) = C u(t) ( i(t) = dq(t)/dt donc i(t) = C du(t)/dt ) Remarques : * l’inductance, qui n’est autre qu’un fil enroulé, possède une faible résistance interne que l’on néglige en général * la capacité possède une résistance interne que l’on néglige Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

22. i(t) B A u(t) i(t) u(t) i(t) B A u(t) Dipôles usuels (régime harmonique) Résistance pure : u = R i Inductance pure : u = j L wi impédance : Z= j L w Capacité : impédance : Z=1/jCw Les théorèmes généraux (superposition, Thévenin, Millman) restent valable en régime harmonique en raisonnant sur les impédances Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

23. R1 R1 R2 R2 C1 C2 C1 A B A L1 L2 L1 L2 B Association de dipôles Résistances en parallèleRésistances en série B A Req=R1+R2 1/Req=1/R1+1/R2 Capacités en parallèleCapacités en série A B Ceq=C1+C2 1/Ceq=1/C1+1/C2 C2 Inductances en parallèle Inductances en série 1/Leq=1/L1+1/L2 Leq=L1+L2 (Exercices 6) Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007